铁路电力线路故障判断方案的研究

武 欢

(辽宁铁道职业技术学院，辽宁锦州 121000)

前言

目前，我国电气化铁路配电线路架空线比较多，增加了导线损耗，而供电范围很小，供电效果不理想，整体相对薄弱。由于大部分设备都不可遥控，所以采集数据信息很少，发生故障不能快速处理，停电面积扩大，自动化程度低，导致供电恢复速度慢。电气化铁道供配电系统由自闭和贯通线构成，其特点是系统中性点非接地，10kV 线路与国家电网是利用变电所内的电力变压器实现隔离。铁路电力线路的功能是专线专用给铁路站场、通信信号装置、机车信号、变电所用电等一级负荷提供能源。自闭线和贯通线路相互备用，一旦电力线路或者电力变电所发生故障，则导致铁路行车信号机失灵，信号失效就会造成堵塞、撞车等事故，造成严重事故例如甬温线事故。

如果自闭贯通线发生单相接地故障，那么变电所内的接地警报启动，一般利用小电流选线装置可以区分发生接地故障线路，却不能精确定位故障点。由于非中性点接地系统发生单相接地故障后，接地电容电流很小，整个线路上额定电压基本不变，所以负荷不受影响运行允许可持续达2 小时左右。但是无故障线路相电压就会成几何倍增加，临时性接地故障所带来的暂态过电压甚至达5 倍以上，假如设备长时间故障运行，线路绝缘容易发生击穿，导致相间短路或接地短路故障，因此准确快速定位接地故障点，隔离并恢复供电系统从而把危害降到最低，对于铁路运行管理安全和人身安全十分重要。

1.10kV 铁路电力线路故障

判断铁路电力线路故障的方案，首先要理论分析各种故障特征，根据对采用安装在开关站的FTU监测出来的数据信息判断故障。针对铁路专门设计的10kV 自闭贯通线路作用是提供给铁路信号系统，行车系统，编组场车站等一级负荷电能。目前，我国对于铁路10kV 电力线路故障的检测没有很好的方法，检测单相接地故障更是缺少必要手段，原来基本采用监视器监测整定范围内母线上的零序电流的有无，再利用故障线路判断装置进行选线，最后发出报警信号，但是不能够准确提供具体故障区段。

1.1 铁路电力网的特点

铁路电力线路一般都是中性点不接地系统，这种接地方式相对比较简单，整个系统的中性点没有和大地进行电气连接，是绝缘的。当线路发生单相接地故障时，线路和对地电容就共同组成了一个通路，这样就在接地点处形成了电容电流，这种接地电容电流的大小取决于馈线的材质、长度及类型。当馈线数量多，线路相对较长时候，产生的容性电流由于没有任何感性电流的补偿，就有可能增大几十甚至几百倍，特别是高铁采用大量电缆线路(架空线是电缆单位长度上的电容电流二十五分之一)作为变电所的馈线，接地容性电流甚至能达到一千安培以上，如此高的电流能够击穿设备绝缘危害供电的可靠运行。

作为信号设备主要电源的铁路电力线路是保证铁路运输安全生产的重要保障。铁路配电网是一个稳定和可靠供电网络，具备安全和经济性好的特点，在电力系统结构和功能上都具有一定的特点和区别。

(1)供电范围广，受电点多。自闭贯通电网的供电臂大约为60 到70km，特殊地段甚至能到90km 以上。供电负荷容量小数量多，由于自闭贯通电线是自动闭塞信号装置专用线路，都会连接途经车站，负荷信号微弱。

(2)运行维护困难。由于铁路运行情况错综复杂，所以自闭贯通线路受到外界因素影响较大，即使高铁普遍采用电缆引出引入，但电缆大多敷设于地下，受温度、湿度、地质、环境影响较大。铁路配力网结构简单，作为自动终端信号装置与最终用户直接连接，铁路自闭贯通网里一般都为10kV 和35kV 两个等级的变配电站，铁路自闭贯通供电系统中的站所功能基本相同，配置也基本一致，这样对于铁路供电的功能和范围要求就相对较低。

(3)接线单一可靠性高。自闭贯通供电系统的接线采用最常见的沿铁路敷设的放射网结构，沿铁路线分布均匀变电所互相备用相互连接，组成双回路供电方式。连接线一主一备，自闭线与贯通线相互补充的接线方式。铁路自闭贯通网虽然结构简单，连接方便但是由于其安全性要求供电持续可靠保证。传统的铁路配电网系统设计了多种措施来保证供电的稳定可靠，但是过去所装设的老式保护满足不了日趋发展的高铁提速当故障出现，尤其是难以判断单相接地故障出现的区段，使故障危害加深严重影响自动闭塞正常工作。

1.2 铁路自闭贯通线路相间短路

假设线路A、C 两相在变电所1、2 间发生短路故障，那么就有

使用对称矢量法对线路上的电流互感器进行读数就会发现两相短路故障时，自闭贯通相电流减小，零序电流和零序电压并不存在于整个短路故障通路里。在故障线路中，靠近电源侧等值的短路电流通过各分段故障线。故障线路前段(远离电源侧)短路电流不会出现在各故障分段区间里。

假设线路A、C 两相在变电所1、3 间发生a、c 两点接地短路，那么就有故障临界条件

在自闭贯通线各变电所安装的电流互感器，就可以测量出实时的电流值。得出结论是一旦发生两相接地故障那么在故障区间前部各相都会有等值短路电流流过，而在故障区间的后端都没有短路电流流过互感器，整个回路里有零序电压和电流;当不同区间发生接地短路时候，在故障区间前侧故障相短路电流流过互感器，在故障区间后侧不流过短路电流，整个回路都会有零序电压和零序电流。

三相短路和三相接地故障与两相比较相似，但是也有一定的区别。当发生三相短路故障时候，发生故障相的线电压下降，短路电流流过故障相电流互感器，整个配电网里不存在零序电压和零序电流;等值短路电流都会流过故障区间前部的故障相上的电流互感器，短路电流不出现在故障区间后侧线路上的电流互感器;故障三相接地发生时候，不产生零序电压和电流，故障相有短路电流流经导致故障线路相电压减小;产生等值的短路电流流过故障区间前侧故障相上的电流互感器，短路电流不会在故障区间后侧流过电流互感器。总之，相间接地短路故障，都可以利用装设在变电所里电流互感器，一旦发生短路故障就可以明显监测出发生故障前的变电所的母线上的电流信息，再根据故障后端没有短路电流的信息，初步分析判断出故障点的粗略位置最后通过比对故障现象的类型及特点准确定位出故障点的。

1.3 铁路电力线路单相接地故障分析

当某点发生金属性接地故障，测得接地电阻为零时，已知电力线路上有电容电流，推导出非故障相对地电流和对地电压都近似零，利用零序等效网络就可以得到以下结论:零序电流在故障回路和非故障回路的关系是，非故障零序电流等于该相的接地电容电流，而故障回路的零序电流正好等于全部非故障零序电流相加之和，也就是所有非故障回路接地电容电流的和;在对于零序电压电流相位关系，零序电压在非故障相上滞后零序电流90 度，而在故障相上零序电压超前零序电流90 度，相加就可以得出零序电流在非故障回路故障回路相位相差正好180度;总之，接地电容电流等于全部故障和非故障回路中接地点电流之和，同时电容电流和零序电压相差90 度。

当发生非金属性单相接地故障时，电阻R 不等于零。已知铁路电力线在故障点接地时，并且因为接地电阻不等于零，那么故障区间前段与非故障区间前段的零序电流方向恰恰相反。所以铁路电力线路发生单相接地时，零序电压超前零序电流在非故障线路前侧相差正好90 度，在故障线路前侧则滞后相差正好90 度;由于幅值和相角不受电阻影响，则不会改变电流和电压之间的零序相位差;一旦配电线路出现单相接地故障有零序电压时候，线路前侧的各部分故障超前零序电流，但是故障线路后侧则正好与非故障相反差90 度。

2.铁路线路故障判断方案的研究

基于FTU 馈线自动化是解决故障判断的重要系统。该系统中，FTU 被安装在负载、电互感器、功率表和开关等设备上，用来采集对应开关的实时位置、完成贮能情况等运行数据，并且通过网络通信将现场信息传送给变电所中控设备，FTU 还可以利用信道双向性接收自动化控制中心下达的指令，完成指令动作进行长距离操作倒闸。发生故障时，FTU 就可以记录下数据的变化包括故障实时数据对比正常数据。如短路最大电流值、最大冲击电流、最大故障功率和电压等信息统一发送至中心控制机构，中控利用逻辑运算精确定位故障点，并采取最佳措施恢复供电，快速完成遥控分离故障区间并尽快恢复线路供电、保证铁路运行安全。为了方便主站，先将分散的收集单元集中再与控制中心连接，实现分散转为集中，利用成熟的调度自动化技术能够把各个面向对象的采集单元的统一变成的通信协约，实现有机结合供配电技术、SCADA 系统、电力数据采集等。

一般在变电所到故障点的自闭贯通线上才会有故障电流，通过各个FTU 把采集到的故障相数据值传送给自动中心，利用计算机推理运算合理处理已收到故障线路的所有信息，快速定位判断故障发生的区段。通过上节部分关于自闭贯通线路各类故障得出的结论，就可以推理出判断自闭贯通线路各类故障的算法。例如某段自闭贯通线路分为4 段区域，根据铁路电力系统为非中性点接地系统，上节介绍故障机理就可以归纳为相间短路、单相接地故障等再依据临时性或者永久性故障性质。排列组合共六种可能故障类型通过采集的现场数据进行区分最后中控对故障分析判断。可以分两步进行一个是铁路电力线路沿线上两个变电所之间发生故障时，FTU采集开关站的数据，需要传输一段时间才能将信息收集到主站。设置时间参数，考虑到两个变电站之间的FTU 数据全部上传，这个参数就是故障分辨率。保障主供变电所重合闸动作，同时备用变电所自投预备，当短路电流流经时，保护机构跳闸，备投重合启动，准确判断出是临时故障;同理，当出现故障电流时，保护装置跳闸，备投没有启动，重合闸顺利动作同样是临时的。主供电臂启动重合闸，备用供电臂投入的时候，同理出现故障，主供区间保护装置跳闸动作，备投没有启动，重合备投也不成功，那么故障就是永久性，对变电站之间FTU 采集的数据进行综合判断，根据数据的情况区分出现的故障，收集完整数据分析准确判断故障定点及并采取相应措施保证铁路电力线路正常运行。

3.结束语

电力线路故障诊断是保证铁路运输安全运行和稳定可靠的重要途径。提高铁路电力线路自动化水平，完善远程处理故障能力是电气化铁道供电的一个重要方面。本文通过对铁路自闭贯通线路进行的研究，提出了自闭贯通线的故障判断方案，提高了铁路配电系统的安全性和可靠性。

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